Τι είναι η παραγωγή υδρογόνου από το θαλασσινό νερό; Γιατί τόση προσοχή; Ποιες είναι οι τεχνικές δυσκολίες;

Γιατί η επιτυχία της πιλοτικής δοκιμής παραγωγής υδρογόνου με άμεση ηλεκτρόλυση του θαλασσινού νερού έχει προσελκύσει τόσο μεγάλη προσοχή; Πόσο δύσκολο είναι αυτό; Ποιες είναι οι τεχνικές δυσκολίες που πρέπει να ξεπεραστούν για την παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού;

01

Παραγωγή υδρογόνου από θαλασσινό νερό

Η παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση νερού θεωρείται μια πολύ σημαντική τεχνολογία παρασκευής πράσινου υδρογόνου. Επί του παρόντος, η εμπορευματοποιημένη τεχνολογία ηλεκτρόλυσης νερού χρησιμοποιεί γλυκό νερό ως ηλεκτρολύτη. Όπως όλοι γνωρίζουμε, οι παγκόσμιοι πόροι γλυκού νερού είναι εξαιρετικά περιορισμένοι, με τη μεγάλης κλίμακας εφαρμογή της υδροηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου, η οποία αναμφίβολα επιδεινώνει την έλλειψη πόρων γλυκού νερού. Αντίθετα, το θαλασσινό νερό είναι πλούσιο σε πόρους, γεγονός που γεννά την ιδέα της «παραγωγής υδρογόνου από το θαλασσινό νερό».

Σε αντίθεση με το γλυκό νερό, το οποίο αντιπροσωπεύει το 96,5 τοις εκατό του συνολικού όγκου νερού της Γης, το θαλασσινό νερό έχει μια πολύπλοκη σύνθεση που περιλαμβάνει περισσότερες από 90 χημικές ουσίες και στοιχεία. Ένας μεγάλος αριθμός ιόντων, μικροοργανισμών και σωματιδίων που περιέχονται στο θαλασσινό νερό μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα όπως ο ανταγωνισμός παράπλευρης αντίδρασης, η απενεργοποίηση του καταλύτη και η απόφραξη του διαφράγματος κατά την παραγωγή υδρογόνου.

Για το σκοπό αυτό, η τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου που χρησιμοποιεί το θαλασσινό νερό ως πρώτες ύλες έχει σχηματίσει δύο διαφορετικές οδούς. Πρώτον, η άμεση παραγωγή υδρογόνου από θαλασσινό νερό, δηλαδή με βάση το φυσικό θαλασσινό νερό, παράγεται κυρίως με ηλεκτρόλυση ή φωτόλυση. Δεύτερον, η έμμεση παραγωγή υδρογόνου του θαλασσινού νερού είναι η αφαλάτωση και η αφαίρεση ακαθαρσιών από το θαλασσινό νερό, η αφαλάτωση του θαλασσινού νερού για να σχηματιστεί πρώτα γλυκό νερό υψηλής καθαρότητας και στη συνέχεια η παραγωγή υδρογόνου.

02

Δύο σημαντικά πλεονεκτήματα

Οι υπεράκτιες πλατφόρμες παραγωγής υδρογόνου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μακροπρόθεσμη αποθήκευση ενέργειας ή εγκαταστάσεις παραγωγής για εκλεκτά χημικά, επιτρέποντας την πράσινη ενέργεια να ενσωματωθεί στενά με τα συστήματα χημικής παραγωγής.

Η υπεράκτια πλατφόρμα παραγωγής υδρογόνου μπορεί να λύσει το πρόβλημα της κατανάλωσης μεγάλης εμβέλειας θαλάσσιας ανανεώσιμης ενέργειας και η χρήση ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας για την παραγωγή υδρογόνου και πράσινης αμμωνίας επί τόπου μπορεί να γίνει η κύρια μέθοδος εφαρμογής εκτεταμένης θαλάσσιας ανανεώσιμης ενέργειας στην μελλοντικός.

03

Τεχνική δυσκολία

Τεχνική δυσκολία 1: Πολλές ακαθαρσίες στο θαλασσινό νερό επηρεάζουν την εμφάνιση της έκλυσης υδρογόνου καθόδου

Στη διαδικασία του ηλεκτρολυτικού νερού, το Η2 κατακρημνίζεται από την κάθοδο, για την αντίδραση έκλυσης υδρογόνου καθόδου, το πιο δύσκολο πρόβλημα είναι ότι υπάρχουν διάφορα διαλυμένα κατιόντα στο φυσικό θαλασσινό νερό, όπως Na+, Mg2+, Ca2+ κ.λπ. υπάρχει μια ποικιλία βακτηρίων, μικροοργανισμών και μικροσκοπικών σωματιδίων.

Αυτές οι ακαθαρσίες θα φράξουν το ηλεκτρόδιο με την πρόοδο της ηλεκτρόλυσης του θαλασσινού νερού και στη συνέχεια θα δηλητηριάσουν ή θα επιταχύνουν τη γήρανση του ηλεκτροδίου/καταλύτη στο ηλεκτρολυτικό σύστημα, με αποτέλεσμα την κακή αντοχή.

Τεχνική δυσκολία 2: τα ιόντα χλωρίου προκαλούν ανοδική διάβρωση και επηρεάζουν την αντίδραση έκλυσης ανοδικού οξυγόνου

Κατά τη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του νερού, το O2 κατακρημνίζεται συνήθως από την άνοδο. Ωστόσο, η παρουσία μεγάλου αριθμού ιόντων χλωρίου (Cl-) στο θαλασσινό νερό θα προκαλέσει σοβαρή διάβρωση του υλικού της ανόδου, η οποία θα οδηγήσει σε βλάβη των ηλεκτροδίων και υψηλή τάση, τερματίζοντας έτσι την αποτελεσματική αντίδραση έκλυσης οξυγόνου. Επιπλέον, η υψηλή συγκέντρωση ιόντων χλωρίου θα συμβεί επίσης στην αντίδραση οξείδωσης χλωρίου της ανόδου, καταλαμβάνοντας την ενεργή θέση του καταλύτη, μειώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα της αντίδρασης έκλυσης οξυγόνου ανόδου.

Τεχνική δυσκολία 3: Ανταγωνισμός μεταξύ αντίδρασης έκλυσης ανοδικού οξυγόνου και αντίδρασης χλωρίωσης οξυγόνου

Στη διαδικασία της ηλεκτρόλυσης του θαλασσινού νερού, η άνοδος θα υποστεί δύο αντιδράσεις, συγκεκριμένα: αντίδραση έκλυσης οξυγόνου (OER) και αντίδραση χλωρίωσης οξυγόνου (ClOR). Αντίδραση έκλυσης οξυγόνου: 4OH-→O2+H2O+4e-; E0=1,23V (έναντι RHE)

Αντίδραση οξείδωσης χλωρίου: Cl-+2OH-→OCl-+H2O+2e-; E0=1,71V (έναντι RHE)

Μπορεί να φανεί ότι το E0 των δύο είναι παρόμοιο, γεγονός που θα παράγει μια ανταγωνιστική σχέση, η οποία περιορίζει πολύ την τάση λειτουργίας του ηλεκτρολύτη. Επιπλέον, τόσο η αντίδραση ClOR όσο και ο σχηματισμός υποχλωριώδους είναι αντιδράσεις δύο ηλεκτρονίων και η αντίδραση ClOR εκτελείται πιο εύκολα κινητικά από την αντίδραση τεσσάρων ηλεκτρονίων OER, επομένως το υπερδυναμικό OER συνήθως παρατηρείται υψηλότερο από αυτό του ClOR.

04

Ερευνητική κατάσταση

Προς το παρόν, η παραγωγή υδρογόνου από το θαλασσινό νερό βρίσκεται ακόμη στο αρχικό στάδιο της έρευνας και των δοκιμών και εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις, αλλά η έρευνα και η ανάπτυξη της παραγωγής υδρογόνου από την ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού έχει σημειώσει κάποια πρόοδο. Το 2022, η ομάδα του ακαδημαϊκού Xie Heping έκανε μια σημαντική πρωτότυπη ανακάλυψη στον τομέα της άμεσης παραγωγής υδρογόνου από θαλασσινό νερό και καθιέρωσε με καινοτόμο τρόπο μια νέα αρχή και τεχνολογία άμεσης παραγωγής υδρογόνου από θαλασσινό νερό χωρίς αφαλάτωση λόγω μετάβασης φάσης και μετανάστευσης. Υπάρχουν πολλά έργα επίδειξης παραγωγής υδρογόνου θαλασσινού νερού στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, αλλά εξακολουθούν να είναι πιλοτικά μικρής κλίμακας και τα περισσότερα από αυτά βρίσκονται υπό κατασκευή ή προτείνονται.

Αν και η παραγωγή υδρογόνου με ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού έχει πολύ δρόμο να διανύσει από τις μικρές και πιλοτικές δοκιμές μέχρι την τελική βιομηχανική εφαρμογή. Ωστόσο, πιστεύουμε ότι στο μονοπάτι τρισεκατομμυρίων επιπέδων της ενέργειας υδρογόνου, αν τελικά εφαρμοστεί αυτή η τεχνολογία, θα αφήσει το πιο βαθύ μελάνι στο δρόμο της «απανθρακοποίησης»!